Purely equatorial lasing in spherical liquid crystal polymer microlasers with bipolar refractive index profile

Stel je een piepkleine, perfecte bol voor die drijft in een druppel water. Binnenin deze bol kan licht rondkaatsen tegen de binnenwand, cirkelend als een hardloper op een atletiekbaan. Dit fenomeen, bekend als een whispering gallery mode, stelt de bol in staat om als een laser te fungeren, waarbij het een zeer zuivere, scherpe lichtstraal uitzendt. Wetenschappers gebruiken deze microscopische lasers al lang om veranderingen in hun omgeving waar te nemen, zoals de aanwezigheid van een specifiek eiwit of een verschuiving in temperatuur. Maar er is een addertje onder het gras: omdat de bol perfect rond is, kan het licht in elke richting cirkelen. Als je een laser gebruikt om de bol te laten gloeien, kan het licht een pad kiezen dat over de bovenkant gaat, of rond de zijkant, of ergens tussenin. Dit maakt het moeilijk om precies te voorspellen waar het licht zich bevindt of om de laser te gebruiken voor nauwkeurige metingen in een complexe, bewegende omgeving zoals een levende cel.

Onderzoekers aan de Universiteit van Keulen hebben dit probleem nu opgelend door een nieuw type sferische microlaser te creëren dat het licht dwingt om slechts op één specifieke plaats te reizen: de evenaar. Door de structuur van het materiaal binnen de bol te manipuleren, hebben ze de laserlichtstroom gevangen in één enkel, plat vlak. Deze doorbraak betekent dat het laserlicht altijd in die vaste equatoriale band zal blijven, maar alleen als de bol correct is georiënteerd ten opzichte van de pompstraal. Specifiek treedt lasing het meest efficiënt op wanneer de pompstraal de bol loodrecht op de interne bipolaire as raakt; als de pomp de polen raakt of uitgelijnd is met de bipolaire as, wordt er geen laserlicht geproduceerd. Deze ontdekking opent de deur naar het gebruik van deze piepkleine lasers als betrouwbare, gelokaliseerde sensoren binnen biologische systemen, waar weten waar het licht zich precies bevindt even belangrijk is als het licht zelf.

Het team heeft dit bereikt door hun microlasers te bouwen uit een vloeibaar kristallijn polymeer, een materiaal dat de vloeiende ordening van vloeibare kristallen combineert met de solide stabiliteit van een kunststof. Ze begonnen met een mengsel van vloeibare kristalmoleculen en een speciale kleurstof die de energie voor de lasing levert. Met behulp van een microfluïdisch apparaat vormden ze minuscule druppeltjes van dit mengsel, ongeveer 25 tot 30 micrometer in diameter. Terwijl het oplosmiddel verdampte, krompen de druppeltjes in tot ongeveer 9 of 10 micrometer. Tijdens dit krimpproces arrangeerden de vloeibare kristalmoleculen zich van nature in een bipolair patroon, waarbij de moleculen van de ene pool naar de andere wijzen, vergelijkbaar met de magnetische veldlijnen van een planeet. Zodra deze uitlijning was ingesteld, gebruikten de onderzoekers ultraviolet licht om de druppeltjes uit te harden tot solide polymeerbolletjes, waardoor de moleculaire rangschikking voor altijd werd vastgelegd.

Deze interne ordening is de sleutel tot het nieuwe gedrag. In een normale sfeer ziet het materiaal er in elke richting hetzelfde uit. In deze nieuwe bolletjes ziet het materiaal er anders uit, afhankelijk van hoe je kijkt. De moleculen zijn uitgelijnd langs de lijnen die van pool naar pool lopen, wat een hoge brekingsindex in die richting creëert en een lagere in de loodrechte richting. Toen de onderzoekers hun testten, ontdekten ze dat het licht alleen kon lasen als de bol zijwaarts was georiënteerd, waardoor het licht langs de evenaar kon reien waar de lichtgolven parallel aan het oppervlak oscilleren. Als ze probeerden de laser te pompen vanaf de boven- of onderkant, of als het bolletje zo georiënteerd was dat de pomp de polen raakte, werd er geen laserlicht geproduceerd, alleen een zwakke gloed. Het licht kon simpelweg geen pad vinden dat werkte wanneer het probeerde over de polen te gaan.

De onderzoekers bevestigden dit gedrag door de bolletjes onder een microscoop te plaatsen en ze te zien rollen. Wanneer ze van de zijkant werden bekeken, vertoonden de bolletjes een ringvormig patroon, wat duidt op de equatoriale uitlijning. Wanneer ze van bovenaf werden bekeken, vertoonden ze een kruisvormig patroon. Door de bolletjes te scannen met een gefocuste laserstraal, brachten ze exact in kaart waar het laserlicht uitkwam. Ze ontdekten dat voor bolletjes die zijwaarts waren georiënteerd, het laserlicht alleen als twee heldere punten aan weerszijden van de evenaar verscheen. Voor bolletjes die zo georiënteerd waren dat de polen naar de camera gericht waren, was er helemaal geen laserlicht, zelfs niet toen de onderzoekers veel meer energie gebruikten om te proberen het te forceren. Dit bewees dat de laser strikt beperkt is tot het equatoriale vlak, maar alleen wanneer de sfeer correct is georiënteerd.

Nog een fascinerende ontdekking was dat het laserlicht niet als één enkele, solide kleur naar buiten kwam. In plaats daarvan splitste de belangrijkste laserlijn zich in verschillende duidelijke, dicht bij elkaar liggende lijnen, vergelijkbaar met hoe een prisma wit licht breekt in een regenboog, maar dan met veel meer detail. De onderzoekers vonden dat deze gesplitste lijnen overeenkwamen met verschillende paden die het licht langs de evenaar kon afleggen. Omdat de interne structuur van het bolletje niet in elke richting perfect uniform is, ervaart het licht dat in licht verschillende richtingen reist, iets andere optische eigenschappen. Dit zorgt ervoor dat de energie van het licht splitst in aparte submodi. De onderzoekers gebruikten computermodellen om aan te tonen dat deze splitting gebeurt omdat de lichtgolven interageren met de specifieke uitlijning van de moleculen in het bolletje. Ze ontdekten ook dat de mate van splitting afhing van hoe perfect de moleculen waren uitgelijnd; wanneer ze bolletjes testten gemaakt van een ander, minder stabiel vloeibaar kristal, was de splitting groter, wat suggereerde dat de uitlijning in hun polymeerbolletjes erg goed maar niet perfect was.

Misschien wel het belangrijkste voor toekomstige toepassingen: de onderzoekers testten of deze nieuwe polymeerbolletjes veilig zijn voor gebruik met levende cellen. Ze plaatsten de bolletjes in een kweek van fibroblastcellen, een veelvoorkomend type dierlijke cel. Na twee dagen waren de cellen gezond en de bolletjes bleven intact en fluorescent. In contrast hiermee, toen ze druppels van een standaard vloeibaar kristalmateriaal in dezelfde cultuur plaatsten, losten de druppeltjes binnen een dag op en doodden ze bijna alle cellen. Dit resultaat suggereert dat door de vloeibare kristalmoleculen in een solide polymeer te vergrendelen, de onderzoekers de toxiciteit hebben verwijderd die het gebruik van deze materialen in de biologie normaal gesproken verhindert.

Het vermogen om laserlicht te beperken tot één enkel, voorspelbaar vlak biedt een aanzienlijk voordeel ten opzichte van traditionele sferische microlasers, mits de oriëntatie wordt gecontroleerd. In eerdere systemen kon het licht in elk willekeurig vlak cirkelen, wat het moeilijk maakte om de positie van de sensor te volgen of om te garanderen dat de juiste plek werd gemeten in een complexe omgeving. Met deze nieuwe equatoriale lasers is het meetgebied vast en smal. Dit maakt nauwkeurige, gelokaliseerde metingen mogelijk die niet afhankelijk zijn van de exacte hoek waaronder de laser wordt gepompt, zolang de sfeer zijwaarts is georiënteerd. De onderzoekers suggereren dat dit gebruikt kan worden om specifieke structuren binnen een levende cel te labelen en te volgen, of om mechanische krachten met hoge precisie te meten. Omdat de splitting van de lichtlijnen gevoelig is voor de interne orde van de moleculen, kan de laser ook dienen als een instrument om de fysieke staat van het materiaal zelf te meten. Door een stabiel, niet-toxisch materiaal te combineren met een zeer voorspelbaar optisch gedrag, biedt dit werk een nieuwe tool om de microscopische wereld met meer helderheid en betrouwbaarheid dan ooit tevoren waar te nemen.